實驗報告-光電效應(yīng)實驗

1、南昌大學(xué)物理實驗報告時間 2021.03. 10創(chuàng)作：歐陽治學(xué)生姓名： 學(xué)號： 專業(yè)班級：材料124班 實驗時間：1()時0()分第十一周星期四 座位 號：28一、實驗名稱：光電效應(yīng)二、實驗?zāi)康模?、通過實驗深刻理解愛因斯坦的光 電效應(yīng)理論，了解光電效應(yīng)的基本規(guī)律；2、掌握用光電管進行光電效應(yīng)研究的方法；3、學(xué)習(xí)對光電管伏安特性曲線的處理方法，并 用以測定普朗克常數(shù)。三、實驗儀器：光電效應(yīng)測試儀、汞燈及電源、濾色片、光闌、光 電管、測試儀四、實驗原理：1、光電效應(yīng)與愛因斯坦方程用合適頻率的光照射在某些金屬表面上時，會 有電子從金屬表面逸出，這種現(xiàn)象叫做光電效應(yīng)， 從金屬表面逸出的電子叫光電子。

2、為了解釋光電效 應(yīng)現(xiàn)象，愛因斯坦提出了 “光量子”的概念，認(rèn)為 對于頻率為7的光波，每個光子的能量為EF,其 中后6.626x10*小為普朗克常數(shù)。按照愛因斯坦的理論，光電效應(yīng)的實質(zhì)是當(dāng)光 子和電子相碰撞時，光子把全部能量傳遞給電子， 電子所獲得的能量，一部分用來克服金屬表面對它 的約束，其余的能量則成為該光電子逸出金屬表面后的動能。愛因斯坦提出了著名的光電方程：hv = mu1 +W2 （1）式中， 為入射光的頻率，加為電子的質(zhì)量， 為 光電子逸出金屬表面的初速度，用為被光線照射的 金屬材料的逸出功，1/2IBV2為從金屬逸出的光電子 的最大初動能。由（1）式可見，入射到金屬表面的光頻率越高

3、， 逸出的電子動能必然也越大，所以即使陰極不加電 壓也會有光電子落入陽極而形成光電流，甚至陽極 電位比陰極電位低時也會有光電子落到陽極，直至 陽極電位低于某一數(shù)值時，所有光電子都不能到達(dá) 陽極，光電流才為零。這個相對于陰極為負(fù)值的陽 極電位被稱為光電效應(yīng)的截止電壓。顯然，有 euo-l/2mv2=O（2）代入上式即有 hv = e% +W（3）由上式可知，若光電子能量h十 W,則不能產(chǎn)生 光電子。產(chǎn)生光電效應(yīng)的最低頻率是。二W/h,通 常稱為光電效應(yīng)的截止頻率。不同材料有不同的逸 出功，因而°也不同。由于光的強弱決定于光量子 的數(shù)量，所以光電流與入射光的強度成正比。又因 為一個電子只

4、能吸收一個光子的能量，所以光電子 獲得的能量與光強無關(guān)，只與光子的頻率 成正 比，將（3）式改寫為上式表明，截止電壓久是入射光頻率的線性函 數(shù)，如圖2,當(dāng)入射光的頻率=。時，截止電壓 沒有光電子逸出。圖中的直線的斜率&=力心 是一個正的常數(shù)：h = ek（5）由此可見，只要用實驗方法作出不同頻率下的Uo-曲線，并求出此曲線的斜率，就可以通過式 （5）求出普朗克常數(shù)仁 其中-1.60x10-叱是電子 的電量。1. 光電效應(yīng)的伏安特性曲線圖3是利用光電管進行光電效應(yīng)實驗的原理 圖。頻率為、強度為P的光線照射到光電管陰極 上，即有光電子從陰極逸出。如在陰極K和陽極A之 間加正向電壓匕J它使K

5、、A之間建立起的電場對 從光電管陰極逸出的光電子起加速作用，隨著電壓 匕k的增加，到達(dá)陽極的光電子將逐漸增多。當(dāng)正向 電壓匕k增加到幾時，光電流達(dá)到最大，不再增 加，此時即稱為飽和狀態(tài)，對應(yīng)的光電流即稱為飽 和光電流。由于光電子從陰極表面逸出時具有一定的初速 度，所以當(dāng)兩極間電位差為零時，仍有光電流I存 在，若在兩極間施加一反向電壓，光電流隨之減 少；當(dāng)反向電壓達(dá)到截止電壓時，光電流為零。圖4入射光頻率不同的I U曲線圖5入射光強度不同的I U曲線愛因斯坦方程是在同種金屬做陰極和陽極，且 陽極很小的理想狀態(tài)下導(dǎo)出的。實際上做陰極的金 屬逸出功比作陽極的金屬逸出功小，所以實驗中存 在著如下問題：

6、暗電流和本底電流。當(dāng)光電管陰極沒有受到光 線照射時也會產(chǎn)生電子流，稱為暗電流。它是由電 子的熱運動和光電管管殼漏電等原因造成的。室內(nèi) 各種漫反射光射入光電管造成的光電流稱為本底電 流。暗電流和本底電流隨著K、A之間電壓大小變化 而變化。陽極電流。制作光電管陰極時，陽極上也會被 濺射有陰極材料，所以光入射到陽極上或由陰極反 射到陽極上，陽極上也有光電子發(fā)射，就形成陽極 電流。由于它們的存在，使得實際/D曲線較理論 曲線下移，如圖6。圖6伏安特性曲線由于暗電流是由陰極的熱電子發(fā)射及光電管管殼 漏電等原因產(chǎn)生，與陰極正向光電流相比，其值很 小，且基本上隨電位差U呈線性變化，因此可忽略 其對遏止電位差

7、的影響。陽極反向電流雖然在實驗 中較顯箸，但它服從一定規(guī)律。因此，確定遏止電 位差值可采用以下兩種方法：交點法光電管陽極用逸出功較大的材料制作，制作過程 中盡量防止陰極材料蒸發(fā)，實驗前對光電管陽極通 電，減少其上濺射的陰極材料，實驗中避免入射光 直接照射到陽極上，這樣可使它的反向電流大大減 少，其伏安特性曲線與圖5十分接近，因此曲線與U 軸交點的電位差值近似等于遏止電位差U。，此即本 實驗采用的交點法（或零電流法）。拐點法光電管陽極反向電流雖然較大，但在結(jié)構(gòu)設(shè)計 上，若使反向光電流能較快地飽和，則伏安特性曲 線在反向電流進入飽和段后有著明顯的拐點，如圖6 中虛線所示的理論曲線下移為實線所示的實

8、測曲 線，遏止電位差U（）也下移到U'o點。因此測出U'o點 即測出了理論值U。五、實驗內(nèi)容及步驟：1、調(diào)整儀器連接儀器；接好電源，打開電源開關(guān)，充分 預(yù)熱(不少于2()分鐘)。在測量電路連接完畢后，沒有給測量信號 時，旋轉(zhuǎn)“調(diào)零”旋鈕調(diào)零。每換一次量程，必須 重新調(diào)零。取下暗盒光窗口遮光罩，換上365.()nm濾光 片，取下汞燈出光窗口的遮光罩，裝好遮光簡，調(diào) 節(jié)好暗盒與汞燈距離。2、測量普朗克常數(shù)(1) 將電壓選擇按鍵開關(guān)置于-2+2V檔，將“電流量程”選擇開關(guān)置于10A檔。將測試儀電 流輸入電纜斷開，調(diào)零后重新接上。(2) 將直徑為4mm的光闌和365.0nm的濾色片 裝

9、在光電管電暗箱輸入口上。(3) 從高到低調(diào)節(jié)電壓，用“零電流法”測量該 波長對應(yīng)的并數(shù)據(jù)記錄。(4) 依次換上 405nm、436nm> 546nm> 577nm的濾色片，重復(fù)步驟(1)、(2)、(3)。(5) 測量三組數(shù)據(jù)，然后對h求平均值。3、測量光電管的伏案特性曲線：暗盒光窗口裝365nm濾光片和4mm光闌，緩 慢調(diào)節(jié)電壓旋鈕，令電壓輸出值緩慢由0V伏增加到 30V,每隔IV記一個電流值。但注意在電流值為零 處記下截止電壓值。在暗盒光窗口上換上577nm濾光片，仍用 4mm的光闌，重復(fù)步驟(1) o(3)選擇合適的坐標(biāo)，分別作出兩種光闌下的光電 管伏安特性曲線UI。4、探究飽

10、和電流與光通量、光強的關(guān)系控制電壓U=30.0V,波長為365nm,L=400nm時,記錄光闌孔分別為2、4、8時的電流?？刂齐妷篣二30.0V,波長為365nm,光闌孔為 2nm時，記錄距離L分別為300nm> 350nm> 400mm 時的電流。六、數(shù)據(jù)記錄與處理：表一 UV關(guān)系波長x (nm)365405436546577頻率 V(1014HZ)8. 2147. 4086. 8795. 4905. 196截止電壓U(v)-1.815-1.498-1. 303-0. 732-0. 603計算普朗克常量：當(dāng)利用不同頻率v的單色光分別作 光源時，可以測出不同頻率下的遏止電位Ux。作

11、出U a與v的曲線，測曲線的斜率K為K = h/e=AU/Av便 可求出普朗克常數(shù)h。KAU/AvCMOxlO-14h=ek= 1.1602 x 1(r19 x ().4016 x 10=6.433 x 1 O'54 J S表二I-UAK關(guān)系光闌孔：4mm 波長幾：577nmUak(V)-2.0-0.301.02.03.04.05.06.07.08.09.0I(10_10A)0026810121314151618%(V)10.011.012.014.016.0l&O20.022.024.026.028.030. 0I (10_10A)192022242527283031323334光闌孔：4nm 波長入：365nm%(V -0123456789) 1. 0.1(1006917273850627382889510A)Uak(V101112131415182124262830>1(10101111121313151718192021i0A)207427306535表三ImP關(guān)系UaK=3().()V波長入：365nmL=400nm光闌孔248(nm)I(10_1°A)67217805表四I、（一L關(guān)系UaK=30.0V波長入：365nm光闌孔：2nm距離L(mm)300350400I(10_10A)473022七、實驗小結(jié)（思考與討論）：注意事